INGENIEURSPROJECT II. Professor G. De Schutter Professor K. Lesage

Transcriptie

1 INGENIEURSPROJECT II Professor G. De Schutter Professor K. Lesage 1

2 Dit document is opgesteld naar aanleiding van uw aanvraag van levering en advies. In wat volgt vindt u de door ons geadviseerde betonsamenstelling en argumentatie waarom deze samenstelling prijskwaliteit aantrekkelijk is. Daarnaast worden een aantal belangrijke constructieve aspecten en praktische regelingen besproken. Tijdens een laatste overleg met het stadsbestuur op 18 april 2016, werd specifiek gevraagd naar het milieuvriendelijke aspect van het beton en de aanpak van de stortnaden. Deze onderdelen vindt u terug in paragrafen 6 en SPECIFICATIE VOLGENS NBN EN en NBN B Milieuklasse XC4 XD2 XA2 Omgevingsklasse EA2 Betontype T(0.50) Sterkteklasse C30/37 Consistentieklasse S4 Korrelmaat Dmax = 20 mm Gebruiksdomein GB Chloorgehalte CL 0.44 Granulaten grofzand gravillon 4/32 2. BETONSAMENSTELLING 2

3 3. VERANTWOORDING BETONSAMENSTELLING Zoals onze naam al doet vermoeden, streven wij naar het meest duurzame beton zonder in te boeten op vlak van sterkte of verwerkbaarheid. Aan de eisen in verband met geometrie, sterkte en verwerkbaarheid werd al voldaan. In wat volgt wordt verduidelijkt welke factoren de duurzaamheid verbeteren. Een dichte structuur Een poreuze structuur is nefast voor de duurzaamheid van het beton. Agressieve stoffen uit de omgeving kunnen namelijk gemakkelijk binnendringen via de poriën en er inwendige schade aanbrengen. Naast de water/cement-factor, spelen ook de hoeveelheid vliegas, ledige ruimte en de verdichtingstechnieken een rol in de porositeit van de samenstelling. W/C-factor Wanneer de W/C-factor in MixDesign daalt, neemt de porositeit af. Dit is te zien aan de holle ruimte ratio U x in figuur 1. Die daalde tot 0,1367 bij een W/C-factor=0,5. Figuur 1: Holle ruimte ratio in MixDesign De W/C-factor geeft de verhouding van de hoeveelheid water over de hoeveelheid cement. Hoe groter de W/C-factor, hoe verder de cementkorrels zich van elkaar bevinden, ze worden namelijk gescheiden door een grote hoeveelheid water. Wanneer het cement de hydratatiereactie ondergaat, worden er hydratatieproducten aan de rand van de cementkorrels gevormd. Naarmate de hydratatiereactie vordert, groeien de hydratatieproducten zowel naar binnen als naar buiten ten opzichte van de cementkorrel. Het zijn juist die hydratatieproducten die zorgen voor de sterkte en stijfheid wanneer ze een percolerende structuur vormen. Aangezien bij een hogere W/C-factor de cementkorrels verder uit elkaar liggen, zal het daar langer duren voor een percolerende structuur gevormd wordt. De sterkte zal zich dus pas later beginnen ontwikkelen maar er zullen wel meer hydratatieproducten gevormd worden (hogere ultieme hydratatiegraad). Ondanks de hogere ultieme hydratatiegraad zal de porositeit toch lager zijn. Het water dat zich in de poriën bevindt kan dan nog verdampen. Het absolute volume van het reagerende water en cement is kleiner dan het absolute volume van de hydratatieproducten. Ook dit draagt bij tot de porositeit door de vorming van capillaire holten. De porositeit neemt lineair toe met de W/C-factor. Er is echter geen lineair verband tussen W/Cfactor en de permeabiliteit. Vanaf een W/C-factor van 0,6 wordt er namelijk een percolerende poriënstructuur gevormd en neemt de permeabiliteit sneller toe dan bij een lineair verband. In de gekozen samenstelling is de W/C-factor lager dan 0,6 en voldoet dus aan de voorwaarde om de permeabiliteit te beperken. 3 Figuur 2: Permeabiliteit in functie van de W/C-factor

4 Uit de wet van Feret, uitdrukking 1, volgt dat een dalende W/C-factor de druksterkte doet toenemen. f ccub = K 1 1 (1+K 2 W C )2 (1) Waarbij K 1 afhangt van de sterkte van het cement op die ouderdom en K 2 = ρ c ρ w. Het streven naar een lagere W/C-factor voor een lagere porositeit komt dus ook de druksterkte ten goede. De verwerkbaarheid daalt wel met een dalende W/C-factor. Om toch een voldoende verwerkbaar beton te bekomen, wordt gebruik gemaakt van superplastificeerder. Superplastificeerders worden geabsorbeerd door de cementkorrels. Ze geven de korrels een negatieve lading met als gevolg dat ze elkaar onderling afstoten. Dit verhoogt de vloeibaarheid. Bovendien wordt ook nog een waterlaagje rond de korrels gevormd wat voor een smerend effect zorgt. Wanneer er teveel superplastificeerder toegevoegd wordt, kan de W/C-factor te laag worden. Wanneer de W/C-factor kleiner is dan 0,4, is al het water chemisch of fysisch gebonden. Er is dus geen water meer over voor het smerend effect, wat slecht is voor de verwerkbaarheid. Hier wordt door toevoeging van SP de W/C-factor verminderd tot 0,5. Dit is gelijk aan de maximale W/C-factor die voortkomt uit de duurzaamheidseisen. Het is hoger dan 0,4 (verwerkbaarheid) en lager dan 0,6 (permeabiliteit), dus geschikt voor deze samenstelling. Figuur 3: gehalte superplastificeerder Figuur 4: W/C-factor = 0.5 Vliegas Vliegas zijn fijne deeltjes die afkomstig zijn uit de rookgassen van verbranding van poederkool. Aangezien het oorspronkelijk als afvalstof werd gezien, is het interessant om te gebruiken. Het brengt namelijk geen extra energieverbruik met zich mee (zie paragraaf 6). Vliegas heeft een puzzolane werking, wat inhoudt dat het kan reageren tot hydraulische bindmiddelen. De puzzolane werking is echter zeer traag, wat zorgt voor een vertraging van de sterkteontwikkeling en dus ook minder ogenblikkelijke hydratatiewarmte. Dit komt de duurzaamheid ten goede omdat er dan minder thermische scheuren worden gevormd (zie paragraaf over thermische scheuren). De uiteindelijke sterkte wordt verhoogd door de aanwezigheid van vliegas. Door hun kleine afmetingen bevinden ze zich overal, ook tussen de cementkorrels, en voorkomen zo een samenvlokken van de korrels. De cementkorrels kunnen dus meer gehydrateerd worden. Bovendien vult het vliegas ook gedeeltelijk de capillaire holten op wegens zijn kleine afmetingen. Dit reduceert de permeabiliteit voor water en agressieve stoffen uit de omgeving. Naast de sterkte en duurzaamheid wordt ook de verwerkbaarheid beïnvloed door vliegas. De fijne deeltjes gaan ervoor zorgen dat de cementkorrels zich meer verspreiden en bovendien zijn ze hydrofiel. Ze hebben dus een dun waterlaagje rondom zich wat zorgt voor een smerend effect. Vliegas werd gebruikt om de duurzaamheid te verbeteren maar het komt dus ook de sterkte en de verwerkbaarheid ten goede. 4

5 Ledige ruimte Het is de bedoeling om de ledige ruimte van het inert skelet te beperken. Deze wordt namelijk opgevuld met water en cement en dan is er voor een vaste W/C-factor en porositeit minder cement nodig. Dit levert een economisch voordeel op omdat cement de duurste component is. De ledige ruimte kan beperkt worden door er genoeg fijne deeltjes aan toe te voegen. Die vullen namelijk de holtes op tussen de grove granulaten (gravillon 4/32). Zijn er echter teveel fijne deeltjes dan kan dit de druksterkte significant doen dalen. Het aantal fijne en grove deeltjes moet dus sterk tegenover elkaar worden afgewogen. Hier werd grof zand gebruikt als fijn granulaat want dit resulteert in minder cement dan bij fijn zand. Dit komt omdat er al veel fijne deeltjes in de samenstelling zitten (vliegas, cement) en zoals net gezegd resulteren teveel fijne deeltjes in een lagere druksterkte. Dit moet dan opgevangen worden door toevoeging van meer cement en dat maakt de samenstelling duurder. Daarom werd hier gebruik gemaakt van grof zand. Wanneer we de formule van Faury substitueren in de formule van Feret bekomen we uitdrukking 3: f ccub = K 1 1 K (1+ V l Dmax 5 ) 2 (3) Hieruit blijkt dat de druksterkte stijgt als D max stijgt. Met een grotere D max is er dus minder cement nodig om eenzelfde sterkte te bekomen. Aangezien de hoeveelheid cement vermindert, zal de prijs ook dalen. Dit resulteert ook in minder hydratatiewarmte, wat de thermische scheuren zal reduceren en dus de duurzaamheid ten goede komt. We kiezen daarom voor het grofste granulaat, dat hier Gravillon 4/32 is. Ter volledigheid wordt ook vermeld dat in MixDesign D max=20mm is gebruikt. De opgegeven waarde voor D=16mm moet met een factor 1,25 vermenigvuldigd worden om de waarde D max te bekomen. Verdichtingstechnieken Om een dichte structuur van het beton te bekomen is het niet genoeg om enkel de samenstelling eraan aan te passen. Een goede verdichtingsmethode is ook van groot belang om het verdicht beton zo luchtvrij mogelijk te maken (zie paragraaf 9). Een goede betondekking op de wapening Wanneer de wapening voldoende betondekking heeft, is ze beter beschermd tegen corrosie. Deze corrosie wordt in de hand gewerkt door chloor-ionen die zich in het zwembad bevinden. Daarom is het van groot belang dat er ten eerste voldoende betondekking is op de wapeningsstaven en dat het gehalte chloor-ionen in het beton zelf beperkt wordt. Volgens de norm NBN B moeten de chloor-ionen in het gewapend beton van een zwembad beperkt worden tot 0,4% van de cementmassa. Bij deze samenstelling komt dit neer op: 0, = 1,16 > 0,44, waaruit volgt dat er inderdaad aan de voorwaarde voldaan is. 5

6 Volgens diezelfde norm moet D (=16 mm) kleiner zijn dan 1,3 keer de dikte van de betondekking op de wapeningsstaven. Aangezien D opgegeven is, wordt verondersteld dat hieraan reeds werd voldaan. Thermische scheurvorming beperken Figuur 5: het chloride gehalte Een derde aspect om de duurzaamheid te verbeteren is het beperken van scheuren. De thermische scheuren kunnen beperkt worden door een goede keuze van het cement en een juist tijdstip van ontkisten. Tijdens de hydratatiereactie komt er hydratatiewarmte vrij. Wegens de geringe thermische geleiding van beton is de warmte uitwisseling aan de randen veel beter dan in de kern van de constructie. Dit zorgt voor temperatuurgradiënten en dus ook voor spanningen. Wanneer het beton nog niet verhard is en dus goed vervormbaar, zijn de spanningen beperkt. Eens de hydratatiereactie vordert, nemen de stijfheid en de treksterkte toe wanneer er een percolerende structuur wordt gevormd. In het begin stijgt de stijfheid sneller dan de treksterkte wat resulteert in een kritieke periode. Hier kunnen de spanningen namelijk al hoog oplopen maar is de treksterkte nog niet voldoende ontwikkeld. Dit kan leiden tot thermische scheuren. Het beperken van de thermische scheuren gebeurt door het beperken van de ogenblikkelijke hydratatiewarmte, wat sterk bepaald wordt door de keuze van het cement. Hier werd gekozen voor hoogovencement (type III). Daarbij wordt de sterkte trager ontwikkeld dan bij Portlandcement en is dus de ogenblikkelijke hydratatiewarmte beperkt. Bovendien werd ook gekozen voor de sterkteklasse 42,5 van het cement. Ook hier gebeurt de sterkte ontwikkeling trager dan bij 52,5 maar de uiteindelijk sterkte zal wel lager zijn. Het is hier echter niet nodig om een cement te gebruiken met een te hoge sterkte, dus dit vormt geen probleem. Verder is ook nog het tijdstip van ontkisten van belang. Wanneer de bekisting weggehaald wordt, kan het oppervlak zeer snel afkoelen wat kan zorgen voor bijkomende temperatuurgradiënten. 4. HET K-WAARDE CONCEPT: CONTROLE Wanneer vliegas wordt toegevoegd zonder dat aan de voorwaarden van het k-waarde concept voldaan is, geeft dit verkeerde resultaten. Daarom moet het k-waarde concept gecontroleerd worden. De eisen zijn afhankelijk van de cementsoort, hier is die CEMIII/A42.5N. Volgens norm NBN EN 197-1: 2000 moet de massaverhouding voldoen aan: vliegas/cement 25%. Hier komt dat neer op 55/290=0,19 < 0,25. De proporties van vliegas en cement voldoen aan de eis en dus mag het k-waarde concept gebruikt worden in MixDesign. Volgens diezelfde norm geldt k=0,2. 6

7 5. EEN GOEDE PRIJS-KWALITEIT VERHOUDING De prijs wordt vooral beïnvloed door de hoeveelheid cement, dit is namelijk de duurste component. Er is dus geprobeerd om een zo duurzaam mogelijke samenstelling te maken, die ook aan de andere eisen voldoet, met een zo min mogelijke hoeveelheid cement. Door het gebruiken van grof zand werd het cementgehalte al enigszins beperkt. Het cement en het vliegas zorgen al voor een groot aantal fijne deeltjes. Teveel fijne deeltjes brengen echter een te lage druksterkte met zich mee, wat moet gecompenseerd worden door extra cement. Daarom werd hier geen gebruik gemaakt van fijn maar van grof zand. Door combinatie van de formules van Feret en Faury bekomen we dat een grover granulaat minder cement nodig heeft om dezelfde sterkte te bekomen. Door te werken met Gravillon, het grofste grof granulaat, wordt de hoeveelheid cement beperkt. Vliegas zorgt er ook voor dat de vereiste minimale hoeveelheid cement, die bepaald wordt door de duurzaamheidseisen, verlaagd wordt. Dit zorgt ook voor goedkoper beton. Bovendien wordt er ook gebruik gemaakt van nachtelijk transport naar de werf, wat ook de kosten doet dalen (zie paragraaf 10). 6. HET MILIEUVRIENDELIJK ASPECT Bij het maken van een milieuvriendelijk beton werd rekening gehouden met de volgende aspecten: - Transport beperken - Nodige productie energie beperken - CO 2-uitstoot reduceren CO 2-uitstoot reduceren Bij het vervaardigen van Portlandklinker komt veel CO 2 vrij dus wordt de hoeveelheid Portlandklinker in de samenstelling best beperkt. Dit kan door gebruik te maken van hoogovencement in plaats van Portlandcement want in het hoogovencement is er door toevoeging van hoogovenslak minder klinker aanwezig. Nodige productie energie beperken Door afvalstoffen uit andere processen te verwerken in de samenstelling kan de productie-energie verminderd worden. De energie moest al geleverd worden om het hoofdproduct te maken; dat het nevenproduct gebruikt wordt in het beton, vereist geen extra energie. In deze samenstelling werd dit principe toegepast door vliegas en hoogovenslak erin te verwerken. Hoogovenslak is een afvalproduct uit de staalindustrie. Wanneer gietijzer gevormd wordt, drijft er nog een laag hoogovenslak bovenop omdat deze een lagere densiteit heeft dan gietijzer. Vliegas is afkomstig van de verbranding van poederkool. Met elektrostatische filters wordt vliegas onttrokken van de rookgassen. 7

8 Transport beperken Bovendien gebeurt het transport naar de werf s nachts, wat resulteert in een vlotter en dus ook milieuvriendelijker transport. 7. CONSTRUCTIE De bouwput van het zwembad heeft aanzienlijke afmetingen. Om instorting van de wanden en verzakking van de grond te vermijden worden op voorhand de nodige maatregelen getroffen. Ten eerste wordt de grond bemaald; het grondwater wordt weggepompt zolang het zwembad niet voor de helft gevuld is. Daarnaast wordt de bouwput afgegraven met een hellingsgraad. Indien de grond niet draagkrachtig genoeg is om het gewicht van het zwembad te dragen, zal de bouwput gevuld worden met stabiliserend zand om de grond te verstevigen. Indien de grond draagkrachtig genoeg is, wordt er geen stabiliserend zand gebruikt. Onafhankelijk van het al dan niet gebruiken van stabiliserend zand zal de constructie van het zwembad er als volgt uitzien: Om kosten te besparen worden alleen de opstaande wanden van de vloerplaat bekist (rood gearceerd). Tussen de bodem van de bouwput en de vloerplaat komt een waterdichte folie (vol rood). Deze folie zorgt ervoor dat de grond het samenstellend water van het beton niet opslorpt of omgekeerd. Zo blijven de sterkte en kwaliteit van het beton verzekerd. De vloerplaat en de wanden van het zwembad kunnen, omwille van de omvang van het project, niet tegelijkertijd geplaatst worden. Eerst wordt de vloerplaat gestort (1), daarna de wanden (2 en 3). De wanden zelf zullen ook in twee fasen gestort worden. Door het storten in verschillende fasen ontstaan er zowel horizontale (tussen vloer en wand) als verticale (in twee van de vier hoeken) stortnaden. Deze stortnaden zijn een kritiek punt in de constructie en verdienen extra aandacht. Om een mooie aaneensluiting, goede verankering en volledige waterdichtheid te verzekeren, zijn een aantal voorzieningen aanwezig. De voorzieningen bestaan uit wachtijzers, kimplaten, zwelstrips en bindingsvertragers en worden hieronder besproken. 8

9 De vloerplaat is voorzien van wapening. Met de wapening van de vloerplaat is wachtijzer verbonden. Het wachtijzer heeft dus nog geen functie op het moment dat de vloerplaat gestort wordt, maar zal dienstdoen als wapening voor de opstaande wanden van het zwembad. Dit draagt bij tot een optimale verankering van de vloerplaat en de wanden. Rond de volledige omtrek van het zwembad worden kimplaten geplaatst. De kimplaat is een geprefabriceerde, ijzeren plaat die een hoek vormt van 90 graden en deels verwerkt is in de vloerplaat, deels in de wand. De plaat bestaat uit verschillende delen die elkaar voldoende overlappen op plaatsen waar twee platen elkaar tegenkomen. De kimplaat zorgt naast een goede waterdichtheid ook voor een stevigere verankering tussen vloerplaat en wand. Ongeveer in het midden van de stortnaad wordt een bentoniet zwelstrip geplaatst. Wanneer de hydrofiele zwelstrip in aanraking komt met het zwembadwater zal deze opzwellen. De opzwelling zorgt ervoor dat de holten en openingen in de stortnaden afdichten. De zettingen in constructie vormen zo geen probleem door de elasticiteit en plasticiteit van de zwelstrip. De zwelstrip wordt zowel voor de horizontale als verticale stortnaden gebruikt. Op de plaats van de stortnaden wordt er gesproeid met bindingsvertragers. De bindingsvertragers stellen het begin van de binding en de verharding uit. Dit geeft tijd om bekisting te (ver)plaatsen en nieuwe betonmolens op de werf te krijgen. Het resultaat is dat de verschillende storten, ter hoogte van de stortnaden, beter in elkaar overvloeien. De wanden worden volledig bekist langs twee kanten. Hiervoor wordt gebruik gemaakt van een herbruikbare bekisting (zie bekisting). Voor de wanden is al bij het storten van het beton rekening gehouden met alle nodige openingen voor technische voorzieningen zoals stofzuigeraansluitingen, skimmers, uitspuiters Ook de wapening is voorzien van deze openingen. 9

10 De ruimte tussen de vloerplaat, wanden en afgraafhelling wordt opgevuld met stabiliserend zand. Stabiliserend zand is een mengeling van zand en cement en heeft, zoals het woord zegt, een stabiliserende functie. Enerzijds zorgt het voor een horizontale tegendruk voor de wanden. Deze druk zal namelijk vrij hoog worden eenmaal het zwembad gevuld is. Anderzijds zorgt het stabiliserend zand ook voor een verticale tegendruk en de vergroting van het eigengewicht van het zwembad. Op die manier komt het zwembad, als het leeg is, niet naar boven door de opwaartse kracht van het grondwater. Tot slot zorgt het stabiliserend zand voor een ondersteuning van de technische aansluitingen. 8. BEKISTING Vloerplaat Er wordt gebruik gemaakt van een houten, verloren bekisting voor de zijkanten van de vloerplaat. Een verloren bekisting is goedkoper dan een herbruikbare bekisting en hout is goedkoper dan staal. Bovendien kan het hout niet rotten omdat het niet in contact komt met zuurstof. De bekistingsdrukken worden opgevangen door stabiliserend zand tussen de afgraafhelling en de bekisting. De onderkant van de vloerplaat is gescheiden van de grond met een waterdichte folie. De vloerplaat wordt na het storten voldoende lang beneveld. Wanden Voor de wanden wordt gebruik gemaakt van een herbruikbare bekisting, geleverd door een gespecialiseerde firma. Om de kosten te drukken wordt slechts bekisting voor de helft van de wanden gehuurd. Op die manier worden twee loodrechte wanden in één nacht gestort. Als de temperatuur het toelaat, zal overdag de bekisting verplaatst worden en de volgende nacht de overige twee wanden gestort worden. Zo is de bekisting ook afgestemd op de nachtelijke levering van het beton. De keuze van de bekisting bepaalt ook de afwerking van de binnenkant van het zwembad; ruw, glad, korrelig Indien u opteert voor betegeling, wordt u aangeraden om een ruwe wand te nemen want dit zorgt voor een betere hechting tussen de lijm en de wand. Om de duurzaamheid van het zwembad niet naar beneden te halen en plastische krimpscheuren te voorkomen, zullen ook de wanden, net zoals de vloerplaat, beneveld worden nadat de bekisting is weggehaald. 9. VERDICHTING Een goede verdichting is belangrijk voor de waterdichtheid van het beton. Voor de verdichting wordt zowel voor de vloerplaat als voor de wanden gebruik gemaakt van een trilnaald. Een trilnaald biedt als voordeel dat men tot op de nodige diepte kan trillen. Om de folie aan de onderkant van de 10

11 vloerplaat niet te beschadigen wordt er getrild met minimum 1/3 van de dikte van de vloerplaat tussen de trilnaald en de folie. Er wordt niet getrild op de wapening. Het betonstorten gebeurt vanop geringe hoogte. Daardoor zal er minder lucht in het gestorte beton aanwezig zijn. Bijgevolg zal er minder getrild moeten worden, wat voordelig is voor het aantal werkuren en dus ook de uiteindelijke kosten. 10. Transport Wij geven de mogelijkheid tot het leveren van beton s nachts, wat verschillende voordelen heeft, zowel op economisch en ecologisch vlak als op vlak van verkeershinder. Door het s nachts leveren kan onder andere vermeden worden dat er door het grote aantal betonmixers dat de stad door moet, verkeershinder zal ontstaan. Ook wordt tijdsverlies door verkeersproblemen in de stad vermeden, wat zowel qua uitstoot als transportkosten een voordeel biedt. Wanneer de weersomstandigheden het toelaten zal het mogelijk zijn om s nachts het beton de storten voor een wand op de ene plaats, overdag de bekisting af te breken en terug op te bouwen op een andere plaats en zo de volgende nacht deze wand te storten. Dit heeft als voordeel dat er minder bekisting gehuurd moet worden om het project tot stand te brengen, wat een prijsvoordeel oplevert. Om een idee te geven: om een volume van 2500m³ geleverd te krijgen, zullen er ongeveer 250 betonmixers nodig zijn. 11. Extra s Voordat de bouwput gegraven wordt, wordt de grond bemaald om het grondwater weg te halen. Voordat de bemaling wordt stopgezet, moet het zwembad eerst tot minstens de helft gevuld worden, dit om te voorkomen dat de constructie stijgt door opwaartse kracht van het grondwater. De werken worden best niet in de winter uitgevoerd, aangezien er bij vriestemperaturen ijskristallen worden gevormd op het beton en de sterkte gaat afnemen. Te hoge temperaturen zijn ook niet ideaal omdat het beton dan te snel hard zal worden. Dit kan opgelost worden door het toevoegen van bindingsvertrager. De nabehandeling bestaat uit voldoende verneveling en afdekking van de gestorte constructie. Enerzijds wordt de vloerplaat voldoende beneveld om plastische krimp tegen te gaan. Anderzijds zal er zeker niet vergeten worden om de ontkiste wanden te benevelen. 11